JP6070665B2

JP6070665B2 - 回転電機ステータ

Info

Publication number: JP6070665B2
Application number: JP2014199783A
Authority: JP
Inventors: 博星名
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: CN105471128A; CN105471128B; US9831749B2; US20160094102A1; JP2016073083A

Description

本発明は、回転電機ステータに係り、特に、ステータの１つのスロットに異なる相コイルが隣接して配置される回転電機ステータに関する。

回転電機ステータには、コイルが巻回される。コイルには絶縁皮膜が設けられるが、絶縁皮膜は熱劣化すると絶縁破壊を生じやすくなる。そこで、ステータコイルの温度を検出するために温度センサが用いられる。

例えば、特許文献１には、ステータコイルへの温度センサ取付構造について、例えば分割コアにおいてインシュレータを介して巻回されたコイルをまたぐように二本の脚を有するＵ字形の温度センサホルダを設けることが開示されている。ここでは、温度センサホルダの一方側の脚に温度センサを挿入し、その脚のコイル側壁に開口を設けて測温する。

特許文献２には、回転電機のステータに装着された温度センサに位置ずれが生じない構造として、例えば分割コアのそれぞれにＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルのいずれかが巻回され、周方向に配置される同相コイルを接続するための渡り線の１つに温度センサを係合させることが開示される。例えば、温度センサがＷ相渡り線に係合するときは、Ｕ相コイルとこれに隣接するＶ相コイルの間の隙間のステータ径方向中央部の上方に温度センサの先端が来るように配置される。

特開２０１１−２５４６２８号公報特開２０１０−１４１９６２号公報

三相駆動型回転電機のステータでは、ステータの１つのスロットに異なる相のコイルが隣接して配置されることがある。異なる相のコイル間の電位差である相間電位差が高いと、コイルの絶縁皮膜が破壊されることがある。特に、コイルが高温にさらされて熱劣化をしていると、高い相間電位差を有するコイル間でコイルの絶縁破壊が生じやすくなる。そこで相間電位差が高い２つのコイルが配置されるスロットにおいて、絶縁破壊を防止することと、そのスロットにおけるコイルの温度を検出することが望ましい。

本発明の目的は、相間電位差が最も高い２つのコイルが配置されるスロットにおいて、コイルの絶縁破壊が生じることを防止し、相間電位差が最も高い２つのコイルが配置されるスロットにおいてコイル温度の検出を行うことを可能とする回転電機ステータを提供することである。

本発明に係る回転電機ステータは、環状のバックヨークとバックヨークから内周側に突き出して内周面に沿って配置される複数のティースと隣接するティース間の空間である複数のスロットとを含むステータコアと、ステータコアのティースに巻回される複数のＵ相コイルと複数のＶ相コイルと複数のＷ相コイルで構成され、複数の同一相のコイルのそれぞれは互いに直列接続され、直列接続の一方端は同一相の動力端子に接続され、直列接続の他方端は他の各相の直列接続の他方端と互いに接続されて中性点を形成する各相コイルと、複数のスロットのうち、動力端子に直結する１の相コイルと中性点に直結する他の相コイルとが隣接して配置されるスロットに、両相コイルが隣接する隙間に配置される相間距離確保部材と、相間距離確保部材に設けられる挿入孔に挿入される温度センサを備えることを特徴とする。

本発明に係る回転電機ステータにおいて、挿入孔は、回転電機ステータのコイルエンド側からステータの軸方向に沿って相間距離確保部材に設けられ、温度センサは、相間距離確保部材の挿入孔内に固定されることが好ましい。

上記構成の回転電機ステータは、三相の各相コイルがステータコアのティースに巻回され、複数のスロットのうち、動力端子に直結する１の相コイルと中性点に直結する他の相コイルとが隣接して配置されるスロットに、その２つのコイルが隣接する隙間に配置される相間距離確保部材を備える。動力端子に直結する１の相コイルと中性点に直結する他の相コイルの間の相間電位差は、三相の各相コイルにおいて最大値を取る。その１の相コイルと他の相コイルの間に相間距離確保部材を配置するので、コイルの絶縁破壊が生じることを効果的に防止できる。

また、回転電機ステータにおいて、温度センサは相間距離確保部材に設けられる挿入孔に挿入されるので、相間電位差が最も高い２つのコイルが配置されるスロットにおいてコイル温度の検出を行うことができる。

また、回転電機ステータにおいて、挿入孔は、回転電機ステータのコイルエンド側からステータの軸方向に沿って相間距離確保部材に設けられ、温度センサは、相間距離確保部材の挿入孔内に固定される。すなわち、相間距離確保部材は、温度センサ保持部材の機能も兼ねるので、構造が簡単となる。

本発明に係る実施の形態における回転電機ステータの構成を示す図である。図１（ａ）は、回転電機ステータの軸方向に沿ったほぼ中央の位置における断面に端子台を重ねて示す図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。図１の回転電機ステータに巻回される三相の各相コイルの接続図である。図１において温度センサが配置されるスロットの断面図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では車両搭載用の回転電機のステータを述べるが、これは説明のための例示であって、車両搭載用以外の用途のものであっても構わない。以下におけるティースの数、スロットの数、コイルの巻回数等は、説明のための例示であって、回転電機ステータの仕様に応じ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、回転電機ステータ１０の構成図である。以下では、回転電機ステータ１０を特に断らない限りステータ１０と呼ぶ。図１（ａ）は、ステータ１０の軸方向に沿ったほぼ中央の位置における断面に端子台４０の配置を重ねて示す図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。（ｂ）に、ステータ１０の軸方向を示した。なお、（ａ）は、（ｂ）におけるＡ−Ａ線に沿った断面に相当する。

ステータ１０は、ステータコア１２と、ステータコア１２に巻回される各相コイル２０を含んで構成される。回転電機は、車両が力行するときは電動機として機能し、車両が制動時にあるときは発電機として機能する車両搭載用のモータ・ジェネレータで、三相回転電機である。回転電機は、ステータ１０と、ステータ１０の内周側に所定の隙間を隔てて配置されるロータとで構成される。

ステータコア１２は、環状の磁性体部品で、外周側のベース部１４、ベース部１４から内径側に突き出す複数のティース１６、隣接するティース１６の間の空間であるスロット１８を含んで構成される。かかるステータコア１２は、ティース１６、スロット１８を含んで所定の形状に成形された円環状の磁性体薄板を複数積層したものが用いられる。磁性体薄板としては、電磁鋼板を用いることができる。磁性体薄板の積層体に代えて、磁性粉末を所定の形状に一体化成形したものを用いることもできる。

三相回転電機において、各相コイル２０は、Ｕ相コイル２２、Ｖ相コイル２４、Ｗ相コイル２６で構成される。ステータコア１２におけるティース１６の数は、３の倍数であり、図１の例では、ティース１６の数は１５である。この場合は、Ｕ相コイル２２が巻回されるティース１６が５つ、Ｖ相コイル２４が巻回されるティース１６が５つ、Ｗ相コイル２６が巻回されるティース１６が５つである。各相コイル２０の巻回方法には分布巻と集中巻があるが、ここでは、１つのティース１６に１つの相コイルのみが巻回される集中巻である。図１の１つのティース１６には、１つの相コイルのみが巻回され、同相の隣接する各相コイル２０の間は、図示されない渡り線で接続される。

各相コイル２０は、スロット１８に挿通されてティース１６に巻回される。ティース１６に巻回される各相コイル２０は、ステータコア１２の軸方向端部から突出し、コイルエンド２８，２９を形成する。図１では図示を省略したが、スロット１８において、ティース１６と各相コイル２０の間にインシュレータ１９が配置される（図３参照）。

かかる各相コイル２０は、絶縁皮膜付き導線で構成される。絶縁皮膜付き導線の素線としては、銅線、銅錫合金線、銀メッキ銅錫合金線等が用いられ、絶縁皮膜としては、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド、ポリイミド、ポリエステル、ホルマール等のエナメル皮膜が用いられる。

図１では、Ｕ相コイル２２が巻回される５つのティース１６に、それぞれ（Ｕ１），（Ｕ２），（Ｕ３），（Ｕ４），（Ｕ５）の符号を付した。ティース１６の符号にカッコを付けたのは、以下で、５つのティース１６に巻回されるＵ相コイル２２を、それぞれＵ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４，Ｕ５と呼ぶために、Ｕ相コイル２２とＵ相コイル２２を巻回するティース１６とを区別するためである。同様に、Ｖ相コイル２４が巻回される５つのティース１６に、それぞれ（Ｖ１），（Ｖ２），（Ｖ３），（Ｖ４），（Ｖ５）の符号を付し、Ｗ相コイル２６が巻回される５つのティース１６に、それぞれ（Ｗ１），（Ｗ２），（Ｗ３），（Ｗ４），（Ｗ５）の符号を付した。

ステータコア１２の周方向に沿った１５個のティース１６において３つおきに、Ｕ相コイル２２が巻回される５つのティース１６が配置される。同様に、Ｖ相コイル２４が巻回される５つのティース１６も、Ｗ相コイル２６が巻回される５つのティース１６も、ステータコア１２の周方向に沿った１５個のティース１６において、それぞれ３つおきに配置される。

図２は、各相コイル２０において、１５個のティース１６にそれぞれ巻回される１５個のコイルであるＵ１〜Ｕ５、Ｖ１〜Ｖ５、Ｗ１〜Ｗ５についての接続図である。図２に示すように、同一相の５つのコイルのそれぞれは互いに直列接続され、直列接続の一方端は同一相の動力端子に接続され、直列接続の他方端は他の各相の直列接続の他方端と互いに接続されて中性点Ｎを形成する。

例えば、Ｕ相コイル２２は、Ｕ１〜Ｕ５が互いに直列に接続され、直列接続の一方端のコイルＵ１の一方端はＵ相の動力端子３２に接続され、直列接続の他方端のコイルＵ５の他方端は中性点３８に接続される。同様に、Ｖ相コイル２４は、Ｖ１〜Ｖ５が互いに直列に接続され、直列接続の一方端のコイルＶ１の一方端はＶ相の動力端子３４に接続され、直列接続の他方端のコイルＶ５の他方端は中性点３８に接続される。Ｗ相コイル２６は、Ｗ１〜Ｗ５が互いに直列に接続され、直列接続の一方端のコイルＷ１の一方端はＷ相の動力端子３４に接続され、直列接続の他方端のコイルＶ５の一方端は中性点３８に接続される。

図１に戻り、動力端子３２，３４，３６の３つの動力端子３０は、コイルエンド２８から引き出され、端子台４０を経て、図示されない外部の制御回路等に接続される。

１５個のスロット１８のそれぞれには、異なる相のコイルが隣接して配置される。例えば、図１（ｂ）において、（Ｗ５）のティース１６と（Ｕ１）のティース１６の間のスロット１８には、Ｗ相コイルＷ５とＵ相コイルＵ１が隣接して配置される。同様に、（Ｕ１）のティース１６と（Ｖ１）のティース１６の間のスロット１８には、Ｕ相コイルＵ１とＶ相コイルＶ１が隣接して配置され、（Ｖ１）のティース１６と（Ｗ１）のティース１６の間のスロット１８には、Ｖ相コイルＶ１とＷ相コイルＷ１が隣接して配置される。

１つのスロット１８に異なる相のコイルが隣接して配置されるとき、この隣接するコイルの間に相間電位差が生じる。図１（ｂ）の例では、（Ｗ５）のティース１６と（Ｕ１）のティース１６の間のスロット１８には、Ｗ相コイルＷ５とＵ相コイルＵ１の間に相間電位差が生じ、（Ｕ１）のティース１６と（Ｖ１）のティース１６の間のスロット１８には、Ｕ相コイルＵ１とＶ相コイルＶ１の間に相間電位差が生じ、（Ｖ１）のティース１６と（Ｗ１）のティース１６の間のスロット１８には、Ｖ相コイルＶ１とＷ相コイルＷ１の間に相間電位差が生じる。

図２を参照して、この３つの相間電位差を比較すると、Ｗ相コイルＷ５とＵ相コイルＵ１の間の相間電位差は、Ｕ相の動力端子３２と中性点３８の間の電位差であるので、相間電位差としての最大値ΔＶ_MAXとなる。この他に、理論上、最大値ΔＶ_MAXが生じ得るスロット１８は、Ｖ相の動力端子３４に接続されるＶ相コイルＶ１と、中性点３８に接続されるＵ相コイルＵ５またはＷ相コイルＷ５が隣接して配置されるスロット１８、及び、Ｗ相の動力端子３６に接続されるＷ相コイルＷ１と、中性点３８に接続されるＵ相コイルＵ５またはＶ相コイルＶ５が隣接して配置されるスロット１８である。しかし、この可能性のある２つのスロット１８のいずれも図１（ａ）の１５個のスロット１８には存在しない。したがって、Ｗ相コイルＷ５とＵ相コイルＵ１が隣接して配置されるスロット１８が、相間電位差の最大値ΔＶ_MAXが生じる唯一のスロット１８である。そこで、相間電位差の最大値ΔＶ_MAXが生じる唯一のスロット１８を、他の１４個のスロット１８と区別して、特定スロット１７と呼ぶ。

特定スロット１７には、相間電位差の最大値ΔＶ_MAXが生じる１のコイルと他の相コイルとが隣接する隙間に、相間距離を確保する部材が配置される。図１（ｂ）の例では、相間電位差の最大値ΔＶ_MAXが生じるＷ相コイルＷ５とＵ相コイルＵ１とが隣接する隙間５０に、相間距離確保部材５２が配置される。図３は、特定スロット１７におけるＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。

相間距離確保部材５２は、ステータ１０の軸方向に沿って、一方側のコイルエンド２８の上面と他方側のコイルエンド２９の下面の間の長さに渡って配置される。ステータ１０の径方向については、Ｗ相コイルＷ５とＵ相コイルＵ１がティース１６に巻回される径方向の長さに渡って配置される。図３の例では、Ｗ相コイルＷ５とＵ相コイルＵ１は、それぞれ、ティース１６の径方向に沿って１０段、周方向に沿って２層巻回されるので、相間距離確保部材５２は、Ｗ相コイルＷ５の２層巻の外周側コイルとＵ相コイルＵ１の２層巻の外周側コイルとに接触するように、一方側のコイルエンド２８の上面と他方側のコイルエンド２９の下面の間の長さに渡って配置される。径方向については、図３に示すように、１０段のコイルの全てに少なくとも１部が接触するように配置される。

かかる相間距離確保部材５２は、電気的絶縁性を有する材料を所定の厚さに成形したものが用いられる。材料としては、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂を用いることができる。所定の厚さは、ステータ１０の絶縁耐圧仕様に基づいて定めることができる。なお、例えば、Ｗ相コイルＷ５とＵ相コイルＵ１をそれぞれティース１６に巻回した後に生じる隙間５０に液状の樹脂を滴下し、これを固化させただけでは、相間距離が一定とならず、Ｗ相コイルＷ５とＵ相コイルＵ１の間に所定の相間距離を確保するには不十分である。しかし、相間距離確保部材５２を隙間５０に配置した後、これを隙間５０に固定するために液状の樹脂を滴下し、これを固化させることは、固定手段として好ましい。

このように、相間電位差の最大値ΔＶ_MAXが生じるコイルの間に相間距離確保部材５２を配置することで、ステータ１０においてコイルの絶縁破壊を効果的に防止することができる。

挿入孔５４は、相間距離確保部材５２に設けられ、温度センサ５６が挿入される穴である。挿入孔５４は、ステータ１０の一方側のコイルエンド２８の上面側からステータ１０の軸方向に沿って相間距離確保部材５２の軸方向の長さのほぼ１／２の穴深さを有する。

温度センサ５６は、相間電位差の最大値ΔＶ_MAXが生じるＷ相コイルＷ５、Ｕ相コイルＵ１の温度を検出するコイル温度検出手段である。温度センサ５６は、相間距離確保部材５２に設けられた挿入孔５４に配置される。

かかる温度センサ５６としては、サーミスタを用いることができる。温度センサ５６が検出したコイル温度は、サーミスタから引き出された信号線５８を経て、図示されていない制御回路等に伝送される。温度センサ５６と信号線５８は、相間距離確保部材５２の挿入孔５４内に固定される。固定手段としては、挿入孔５４の内径を温度センサ５６の外形よりもやや小さめに設定し、温度センサ５６を挿入孔５４に押し込むようにして嵌め込む力で固定する。これに代えて、信号線５８付きの温度センサ５６を挿入孔５４に挿入して樹脂接着剤等を挿入孔５４に注入し、信号線５８付きの温度センサ５６を挿入孔５４に固定してもよい。

コイル温度が高いと、コイルの絶縁皮膜が熱劣化して絶縁破壊しやすくなる。熱劣化したコイルが相間電位差の最大値ΔＶ_MAXが生じるコイルであると、絶縁皮膜の絶縁破壊の可能性がさらに高まる。相間距離確保部材５２に温度センサ５６を設けることで、相間電位差の最大値ΔＶ_MAXが生じるコイルについてコイル温度の検出を行うことができ、ステータ１０におけるコイルの絶縁破壊を効果的に防止することができる。相間距離確保部材５２は、相間電位差の最大値ΔＶ_MAXが生じるＷ相コイルＷ５とＵ相コイルＵ１の間の距離を確保する機能とともに、温度センサ５６を保持する機能を兼ねるので、相間電位差の最大値ΔＶ_MAXが生じるＷ相コイルＷ５とＵ相コイルＵ１との間に温度センサ５６を配置するための特別な配置部材を要しない。

１０（回転電機）ステータ、１２ステータコア、１４ベース部、１６ティース、１７特定スロット、１８スロット、１９インシュレータ、２０各相コイル、２２Ｕ相コイル（Ｕ１〜Ｕ５）、２４Ｖ相コイル（Ｖ１〜Ｖ５）、２６Ｗ相コイル（Ｗ１〜Ｗ５）、２８，２９コイルエンド、３０，３２，３４，３６動力端子、
３８中性点（Ｎ）、４０端子台、５０隙間、５２相間距離確保部材、５４挿入孔、５６温度センサ、５８信号線。

Claims

環状のバックヨークとバックヨークから内周側に突き出して内周面に沿って配置される複数のティースと隣接するティース間の空間である複数のスロットとを含むステータコアと、
ステータコアのティースに巻回される複数のＵ相コイルと複数のＶ相コイルと複数のＷ相コイルで構成され、
複数の同一相のコイルのそれぞれは互いに直列接続され、直列接続の一方端は同一相の動力端子に接続され、直列接続の他方端は他の各相の直列接続の他方端と互いに接続されて中性点を形成する各相コイルと、
複数のスロットのうち、動力端子に直結する１の相コイルと中性点に直結する他の相コイルとが隣接して配置されるスロットに、両相コイルが隣接する隙間に配置される相間距離確保部材と、
相間距離確保部材に設けられる挿入孔に挿入される温度センサを備えることを特徴とする回転電機ステータ。
請求項１に記載の回転電機ステータにおいて、
挿入孔は、
回転電機ステータのコイルエンド側からステータの軸方向に沿って相間距離確保部材に設けられ、
温度センサは、
相間距離確保部材の挿入孔内に固定されることを特徴とする回転電機ステータ。